壓縮機(jī)活塞桿燒蝕及填料失效原因分析和對(duì)策

呂杰明

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253000）

0 引言

2D16-8/48-68 型氫氣壓縮機(jī)是某廠制造環(huán)己醇的重要設(shè)備，是將來(lái)自變壓吸附的原料氣提壓到68 kg 再送到環(huán)己醇崗位。此氫氣壓縮機(jī)是兩列一級(jí)對(duì)動(dòng)平衡型，具有動(dòng)平衡好的特點(diǎn)。該壓縮機(jī)自2020 年12 月21 日開始空負(fù)荷試車4 h 后，各潤(rùn)滑點(diǎn)溫度正常，此后一直處于項(xiàng)目建設(shè)階段。2021 年1 月8日壓縮機(jī)管道試氣密時(shí)，發(fā)現(xiàn)填料回水管視鏡中有氣淤堵，于是在填料回水排氣閥用噴壺噴上肥皂水發(fā)現(xiàn)氣泡不斷（圖1），同時(shí)發(fā)現(xiàn)填料拉桿處有漏氣現(xiàn)象，能聽到明顯呲呲聲。此氫壓機(jī)尚未正式生產(chǎn)就發(fā)現(xiàn)這種問(wèn)題，且以后生產(chǎn)的工藝介質(zhì)為99.99%氫氣，具有易燃易爆的特性，給裝置生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。為了確保機(jī)組安全可靠地運(yùn)行，需要對(duì)氣缸的填料密封拆檢并分析原因。

圖1 填料回水排氣閥冒泡

1 壓縮機(jī)填料函的結(jié)構(gòu)原理

該填料函是由一組填料節(jié)流環(huán)、5 組主密封環(huán)、兩組泄漏密封環(huán)共8 組填料盒組成。其中，節(jié)流環(huán)采用PEEK（聚醚醚酮）材料制作，整體成形，內(nèi)表面有迷宮結(jié)構(gòu)，主要用于氣體的第一道密封，起到節(jié)流減壓的作用；5 組主密封環(huán)則承受氣體壓力，在彈簧預(yù)緊力和徑向氣體壓力下，緊緊抱在活塞桿上，防止氣體從密封孔同時(shí)防止氣體從填料函快速膨脹流回氣缸；最后剩下的微量氣體則在泄漏密封環(huán)間稀釋后隨氮?dú)馀懦龔U氣回收。填料冷卻水則沿著軸向方向通道進(jìn)入到水套和填料盒的周向溝槽里，帶走填料內(nèi)的摩擦熱和氣體壓縮熱，從填料函的上方通道軸向排出。

2 拆檢壓縮機(jī)結(jié)果及原因分析

對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)活塞桿部分燒蝕、長(zhǎng)約9 cm，燒蝕位置恰好在靠近缸蓋測(cè)的第一道主密封處，但測(cè)量活塞桿溫度均正常（圖2、表1）。拆檢填料函發(fā)現(xiàn)，填料函里接觸面粘結(jié)，積碳、膠狀物較多，拉桿的鋁墊片并未安裝。導(dǎo)致填料密封失效、泄漏的原因有較多，下面對(duì)密封存在的問(wèn)題進(jìn)行分析。

圖2 活塞桿燒蝕

表1 活塞桿溫度變化

2.1 活塞桿和填料本身加工不良

活塞桿出現(xiàn)局部燒蝕，于是懷疑活塞桿本身制造有問(wèn)題?；钊麠U測(cè)材料發(fā)現(xiàn)的確是鉻鉬鋼，硬度為55～62 HRC、在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，可見并不是材料或熱處理問(wèn)題。活塞桿打徑向跳動(dòng)為0.06 mm，可見并不是活塞桿直線度過(guò)大和磨損問(wèn)題。所以應(yīng)該不是活塞桿本身導(dǎo)致填料密封失效。拆檢發(fā)現(xiàn)，填料盒和填料盒之間均光滑并無(wú)溝槽或劃痕，不存在配合面粗糙度大的問(wèn)題。填料盒內(nèi)O 形圈槽寬和槽深實(shí)測(cè)為1.3 mm 和2.5 mm 均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，O 形圈線徑1.8 mm 也符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，拆檢也未發(fā)現(xiàn)O 形圈擠出凹槽。所以，應(yīng)該不是填料函制造加工造成的失效問(wèn)題。

2.2 填料冷卻水結(jié)冰及不干凈

填料密封拆檢發(fā)現(xiàn)，冷卻水填料并無(wú)結(jié)垢造成的堵塞，所以不是結(jié)垢造成的冷卻作用失效。經(jīng)過(guò)循環(huán)水過(guò)濾器后，水壓由0.3 MPa 降低到0.2 MPa 后再進(jìn)入填料函，拆檢過(guò)濾器濾網(wǎng)仍較臟。拆檢發(fā)現(xiàn)填料盒底部有部分結(jié)冰，而當(dāng)時(shí)正是最極端嚴(yán)寒天氣、最低-18 ℃，冷卻水循環(huán)不好，密封環(huán)又受熱膨脹增大，所以這有可能是密封失效的原因。

2.3 密封環(huán)與填料的軸向間隙偏小

填料密封拆檢發(fā)現(xiàn)，密封環(huán)并無(wú)嚴(yán)重磨損，節(jié)流環(huán)內(nèi)表面迷宮清晰可見。但填料函里接觸面粘結(jié)，積碳、膠狀物較多，尤其是第一道主密封環(huán)處表面粘結(jié)有一圈積碳。第一道主密封處的軸向間隙實(shí)測(cè)為0.25 mm，要求為0.30～0.47 mm，懷疑運(yùn)輸過(guò)程中集聚在填料盒里的雜物導(dǎo)致密封環(huán)無(wú)法伴隨活塞桿正常往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且在溫度升高時(shí)密封環(huán)受熱軸向和徑向增大，使密封環(huán)間隙進(jìn)一步減少直到卡死，但由于試車時(shí)間僅僅4 h，所以密封環(huán)還沒(méi)有嚴(yán)重磨損，但活塞桿已經(jīng)出現(xiàn)燒蝕。

2.4 填料裝配不當(dāng)

由于拆卸填料時(shí)，比較輕松就能將螺母拆卸下來(lái)，結(jié)合拉桿處漏氣，懷疑裝配填料時(shí)未均勻?qū)ΨQ拔緊螺栓和力矩不夠?qū)е绿盍蠅荷w未上緊，進(jìn)而導(dǎo)致填料盒和填料盒之間偏斜，導(dǎo)致氣體穿過(guò)O形圈進(jìn)入回水管，氣體也穿過(guò)拉桿導(dǎo)致填料密封失效。而且填料拆檢回裝只更換了O 形圈，其余并無(wú)改造或更換，回裝后試車無(wú)泄漏，因此可以斷定填料安裝失誤是導(dǎo)致填料失效的主要原因。

綜合以上分析，填料裝配不當(dāng)、填料盒軸向間隙過(guò)小和冷卻水量不足，是造成2D16 氫氣壓縮機(jī)填料密封失效和活塞桿燒蝕的主要原因。

3 整改和預(yù)防措施

（1）為防止冬天天氣嚴(yán)寒造成的填料通道內(nèi)結(jié)冰現(xiàn)象，需要對(duì)冷卻水提壓，由3 kg 提高到4.5 kg。為防止堵塞過(guò)濾器、造成壓降，可將循環(huán)水的濾網(wǎng)目數(shù)由80 目（0.178 mm）改變?yōu)?0 目（0.425 mm），這樣冷卻水系統(tǒng)通暢，循環(huán)水冷卻有效果。

（2）對(duì)填料內(nèi)部采取的措施則是清理密封環(huán)表面，去除多余的低聚物和積碳，防止雜物導(dǎo)致軸向間隙變小。同時(shí)研磨填料，使填料和填料盒之間的軸向間隙保持在0.30～0.47 mm，防止密封環(huán)膨脹卡澀導(dǎo)致失效。必要時(shí)可對(duì)填料盒的密封面進(jìn)行研磨，確保密封面滿足Ra0.4 μm 的表面質(zhì)量要求，填料盒兩端面的平行度誤差不大于0.003 mm。也可以用護(hù)軸套檢查或研磨密封環(huán)的內(nèi)圈，在護(hù)軸套上涂上著色劑，將填料套在護(hù)軸套上并旋轉(zhuǎn)填料。取下填料，研磨高點(diǎn)，使其與活塞桿接觸面積達(dá)70%以上。

（3）緊固填料螺母時(shí)一定要對(duì)角緊螺母，必要時(shí)可分別標(biāo)識(shí)數(shù)字，并按順序用力矩扳手施加相應(yīng)力矩，保證填料壓蓋均勻和填料接觸，必要時(shí)可以檢查填料盒和活塞桿的垂直度。

經(jīng)過(guò)以上3 個(gè)步驟處理，可以降低發(fā)生活塞桿燒蝕和填料泄漏的可能性。

4 結(jié)束語(yǔ)

改造后的填料密封運(yùn)行良好，新機(jī)2D16-8/48-68 運(yùn)行一個(gè)月后常規(guī)拆檢，未發(fā)現(xiàn)活塞桿燒蝕和填料回水管進(jìn)氣等情況，有效解決了填料泄漏的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷、安全、穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。